模塊化設計

（Modular design）所謂的模塊化設計，簡單地說就是將產品的某些要素組合在一起，構成一個具有特定功能的子系統，將這個子系統作為通用性的模塊與其他產品要素進行多種組合，構成新的系統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品。模塊化設計是綠色設計方法之一，它已經從理念轉變為較成熟的設計方法。將綠色設計思想與模塊化設計方法結合起來，可以同時滿足產品的功能屬性和環境屬性，一方面可以縮短產品研發與製造周期，增加產品系列，提高產品質量，快速應對市場變化；另一方面，可以減少或消除對環境的不利影響，方便重用、升級、維修和產品廢棄后的拆卸、回收和處理。

模塊化設計是指在對一定範圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分並設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品，以滿足市場的不同需求的設計方法。

① 力求以少量的模塊組成儘可能多的產品，並在滿足要求的基礎上使產品精度高、性能穩定、結構簡單、成本低廉，模塊間的聯繫儘可能簡單；

②模塊的系列化，其目的在於用有限的產品品種和規格來最大限度又經濟合理地滿足用戶的要求。

模塊化產品是實現以大批量的效益進行單件生產目標的一種有效方法。產品模塊化也是支持用戶自行設計產品的一種有效方法。產品模塊是具有獨立功能和輸入、輸出的標準部件。這裡的部件，一般包括分部件、組合件和零件等。模塊化產品設計方法的原理是，在對一定範圍內的不同功能或相同功能、不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分並設計出一系列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構成不同的顧客定製的產品，以滿足市場的不同需求。這是相似性原理在產品功能和結構上的應用，是一種實現標準化與多樣化的有機結合及多品種、小批量與效率的有效統一的標準化方法。

系列產品中的模塊是一種通用件，模塊化與系列化已成為現今裝備產品發展的一個趨勢。

模塊是模塊化設計和製造的功能單元，具有三大特徵：

1.相對獨立性，可以對模塊單獨進行設計、製造、調試、修改和存儲，這便於由不同的專業化企業分別進行生產；

2.互換性，模塊介面部位的結構、尺寸和參數標準化，容易實現模塊間的互換，從而使模塊滿足更大數量的不同產品的需要；

3.通用性，有利於實現橫系列、縱系列產品間的模塊的通用，實現跨系列產品間的模塊的通用。

（一）模塊化與系列化、組合化、通用化、標準化的關係

模塊化設計技術是由產品系列化、組合化、通用化和標準化的需求而孕育的。系列化的目的在於用有限品種和規格的產品來最大限度、且較經濟合理地滿足需求方對產品的要求。組合化是採用一些通用系列部件與較少數量的專用部件、零件組合而成的專用產品。通用化是借用原有產品的成熟零部件，不但能縮短設計周期，降低成本，而且還增加了產品的質量可靠性。標準化零部件實際上是跨品種、跨廠家甚至跨行業的更大範圍零部件通用化。由於這種高度的通用化，使得這種零部件可以由工廠的單獨部門或專門的工廠去單獨進行專業化製造。

（二）產品模塊化、系列化設計分類與庫管理

產品模塊要求通用程度高，相對於產品的非模塊部分生產批量大，對降低成本和減少各種投入較為有利。但在另一方面又要求模塊適應產品的不同功能、性能、形態等多變的因素，因此對模塊的柔性化要求就大大提高了。對於生產來說，儘可能減少模塊的種類，達到一物多用的目的。對於產品的使用來說，往往又希望擴大模塊的種類，以更多地增加品種。針對這一矛盾，設計時必須從產品系統的整體出發，對產品功能、性能、成本諸方面的問題進行全面綜合分析，合理確定模塊的劃分。產品模塊化設計按照自頂向下研究分類，包括系統級模塊、產品級模塊、部件級模塊、零件級模塊；再按照功能及加工和組合要求研究分類，包括基本模塊、通用模塊、專用模塊；然後按照介面組合要求研究分類，包括內部介面模塊、外部介面模塊。以產品級模塊化為例，就是在需求調查的基礎上，對裝備產品的構成進行分析，考察其中的功能互換性與幾何互換性的關係，並劃分基本模塊、通用模塊或專用模塊，以模塊為基礎進行內部介面、外部介面設計，通過加、減、換、改相應模塊以構成新的產品，並滿足裝備產品的功能指標的要求。

模塊化產品設計的目的是以少變應多變，以儘可能少的投入生產儘可能多的產品，以最為經濟的方法滿足各種要求。由於模塊具有不同的組合可以配置生成多樣化的滿足用戶需求的產品的特點，同時模塊又具有標準的幾何連接介面和一致的輸入輸出介面，如果模塊的劃分和介面定義符合企業批量化生產中採購、物流、生產和服務的實際情況，這就意味著按照模塊化模式配置出來的產品是符合批量化生產的實際情況的，從而使定製化生產和批量化生產這對矛盾得到解決。

雖然模塊化的進程中充滿荊棘，但它給企業帶來飛一樣的創新速度註定了模塊化是以後的發展趨勢。模塊化不僅加快了變革的速度，增大了競爭的壓力，它還改變了企業間的關係。在殘酷的創新競爭中，如何在本行業中奪取更多的市場份額就顯得極為重要。一個企業作為某個需要不斷創新的行業中由百個企業組成的模塊製造商群體的一員，與作為由少數幾個企業佔據壟斷優勢的穩定發展的行業中的成員有著很大的區別，沒有任何一種發展戰略是永遠奏效的。模塊化市場的雙重結構要求企業經理在兩種主要的發展戰略中做出慎重選擇：企業作為總設計師為多個模塊構成的產品確立設計和生產原則；企業也可以作為模塊製造商為用戶提供高性價比的模塊產品，以性能和價格在市場上擊倒同類廠商。在製造行業中模塊化的應用已非常普遍，如汽車工業和飛機製造等。一些公司正在把模塊化這個理論擴展到產品生產和服務的設計上來，有些看似和模塊化根本不著邊際的行業也在嘗試著移植模塊化理論，提高自身的創新速度。

（一）對企業產品研發的貢獻

由於模塊化推進了創新的速度，使得企業領導者對競爭者的舉動做出的反應時間大大縮短。作為一條規則，管理者不得不更加適應產品設計上的各種發展，僅僅了解直接競爭廠商的競爭戰略是遠遠不夠的，這個產品的其他模塊的創新及行業內部易變的聯盟都有可能招致激烈的競爭。模塊是產品知識的載體，模塊的重用就是設計知識的重用，大量利用已有的經過試驗、生產和市場驗證的模塊，可以降低設計風險，提高產品的可靠性和設計質量。模塊功能的獨立性和介面的一致性，使模塊研究更加專業化和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高產品的整體性能和可靠性，而不會影響到產品其他模塊。模塊功能的獨立性和介面的一致性，使各個模塊可以相對獨立地設計和發展，可以進行并行設計、開發和并行試驗、驗證。模塊的不同組合能滿足用戶的多樣性需求，易於產品的配置和變型設計，同時又能保證這種配置變型可以滿足企業批量化生產的需求。

（二）對企業工作效率和成本控制的貢獻

設計和零部件的重用可以大大縮短設計周期；并行的產品開發和測試可以大大縮短設計周期；利用已有成熟模塊可大大縮短採購周期、物流周期和生產製造周期，從而加快產品上市時間；如果劃分模塊時考慮到企業售後服務的特定需求，同樣可以縮短服務周期和耗費資源時間。模塊和知識的重用可以大大降低設計成本；採用成熟的經過驗證的模塊，可以提高採購批量，降低採購和物流成本；採用成熟的經過生產驗證的模塊，可以大大減少由於新產品的投產對生產系統調整的頻率，使新產品更容易生產製造，可以降低生產製造成本；產品平台中及平台之間存在大量的互換模塊，可以降低售後服務成本。

（三）對企業組織的貢獻

模塊化有利於企業研發團隊分工，規範不同團隊間的信息介面，進行更為深入的專業化研究和不同模塊系統的并行開發；抽象平台和模塊的建立，可以實現企業組織結構與產品模塊結構之間的交互，使并行工程擁有實施的根基，工藝、財務、採購和售後服務可以在產品研發早期就介入產品研發項目；標準規範的模塊介面有利於形成產品的供應商規範，有利於產業分工的細化。

模塊化是在傳統設計基礎上發展起來的一種新的設計思想，現已成為一種新技術被廣泛應用，尤其是信息時代電子產品不斷推陳出新，模塊化設計的產品正在不斷湧現。如何使產品的模塊化設計全方位地滿足市場的多樣化需求，應當引起企業經營者、新產品開發人員及其標準化研究者的高度重視。模塊化設計已被廣泛應用於機床、電子產品、航天、航空等設計領域，但至今模塊化術語尚未給出公認的權威性定義。企業一方面必須利用產品的批量化、標準化和通用化來縮短上市周期、降低產品成本、提高產品質量，另一方面還要不斷地進行產品創新使產品越來越個性化，滿足客戶的定製需求。這樣，如何平衡產品的標準化、通用化與定製化、柔性化之間的矛盾，成為贏得競爭的關鍵能力。平台化、模塊化的產品設計和生產可以在保持產品較高通用性的同時提供產品的多樣化配置，因此平台化、模塊化的產品是解決定製化生產和批量化生產這對矛盾的一條出路。

為開發具有多種功能的不同產品，不必對每種產品施以單獨設計，而是精心設計出多種模塊，將其經過不同方式的組合來構成不同產品，以解決產品品種、規格與設計製造周期、成本之間的矛盾，這就是模塊化設計的含義。模塊化設計與產品標準化設計、系列化設計密切相關，即所謂的“三化”。“三化”互相影響、互相制約，通常合在一起作為評定產品質量優劣的重要指標，是現代化原理開始用於機床設計，到本世紀50年代，歐美一些國家正式提出“模塊化設計”概念，把模塊化設計提到理論高度來研究。模塊化設計的思想已滲透到許多領域，例如機床、減速器、家電、計算機等等。在每個領域，模塊及模塊化設計都有其特定的含義。

模塊：一組具有同一功能和接合要素（指聯接部位的形狀、尺寸、聯接件間的配合或嚙合等），但性能、規格或結構不同卻能互換的單元。

床卡具、聯軸器可稱為模塊，有些零部件如插頭、插座，廣而言之也可稱為模塊，但不如稱為標準件為好。在模塊化設計中，也用到大量的標準件，但模塊多指標準件之外、仍需被設計而又可以用於不同的組合、從而形成具有不同功能的設備的單元、

模塊化設計：在對產品進行市場預測、功能分析的基礎上，劃分並設計出一系列通用的功能模塊；根據用戶的要求，對這些模塊進行選擇和組合，就可以構成不同功能、或功能相同但性能不同、規格不同的產品。這種設計方法稱為模塊化設計。

1）橫系列模塊化設計。不改變產品主參數，利用模塊發展變形產品。這種方式易實現，應用最廣。常是在基型品種上更換或添加模塊，形成新的變形品種。例如，更換端面銑床的銑頭，可以加裝立銑頭、卧銑頭、轉塔銑頭等，形成立式銑床、卧式銑床或轉塔銑床等。

2）縱系列模塊化設計。在同一類型中對不同規格的基型產品進行設計。主參數不同，動力參數也往往不同，導致結構形式和尺寸不同，因此較橫系列模塊化設計複雜。若把與動力參數有關的零部件設計成相同的通用模塊，勢必造成強度或剛度的欠缺或冗餘，欠缺影響功能發揮，冗餘則造成結構龐大、材料浪費。因而，在與動力參數有關的模塊設計時，往往合理劃分區段，只在同一區段內模塊通用；而對於與動力或尺寸無關的模塊，則可在更大範圍內通用。

3）橫系列和跨系列模塊化設計。除發展橫系列產品之外，改變某些模塊還能得到其它系列產品者，便屬於橫系列和跨系列模塊化設計了。德國沙曼機床廠生產的模塊化鏜銑床，除可發展橫系列的數控及各型鏜銑加工中心外，更換立柱、滑座及工作台，即可將鏜銑床變為跨系列的落地鏜床。

4）全系列模塊化設計。全系列包括縱系列和橫系列。例如，德國某廠生產的工具銑，除可改變為立銑頭、卧銑頭、轉塔銑頭等形成橫系列產品外，還可改變床身、橫樑的高度和長度，得到三種縱系列的產品。

5）全系列和跨系列模塊化設計。主要是在全系列基礎上用於結構比較類似的跨產品的模塊化設計上。例如，全系列的龍門銑床結構與龍門刨、龍門刨床和龍門導軌磨床相似，可以發展跨系列模塊化設計。

模塊化設計這一新的設計概念和設計方法迅速在各個領域得到廣泛應用，它的競爭優勢主要體現在兩個方面：一方面解決品種、規格的多樣化與生產的專業化的矛盾；另一方面也為先進的製造技術、提高設備的利用率創造必要的條件，實現以不同批量提供顧客滿意度的產品，進而使企業實現產品多樣化和效益統一。

模塊化的宗旨是效益。它的意圖和最終目的就是為了滿足人們對多樣化的需求和適應激烈的市場競爭，在多品種、小批量的生產方式下，實現最佳的效益和質量。模塊化的對象是產品或系統的構成，模塊化不是研究和解決某一個孤立的產品或系統的設計或構成的問題，而是解決某類產品或系統的最佳構成形式問題，即系統由標準化的模塊組合而成。由於模塊化的對象是系統，因而運用系統工程的原理和方法，是開展模塊化的基本原則。模塊化的主要方法是系統的分解和組合，模塊化的產品或系統是由標準的模塊組成的。模塊如何產生，能否有效地組合成產品或系統，產品或系統的分解和組合的技巧和運用水平，是模塊化的核心問題。模塊化的目標是建立模塊系統和對象系統。模塊化活動的目標或產物有兩個，即形成模塊系統和模塊化的產品系統。建立模塊系統是實施模塊化設計的前提，形成模塊化產品或系統則是模塊化的最終歸宿。